2024年12月20日，美国能源部（DOE）发布了《量子信息科学应用路线图》，该路线图综合了科学文献、专家访谈以及能源部在量子信息科学及相关领域的贡献，详细介绍了量子计算、量子传感、量子网络三个领域的技术挑战、指导方针和里程碑。文中对这三个领域的技术前沿和未来发展时间线进行了重点分析。
一、量子计算：超越传统计算能力
（一）量子计算硬件前沿
量子计算硬件多技术路线已取得重要进展，但要实现大规模容错量子计算机，仍需要在硬件的每个部分进行重大改进，同时需要在从材料、器件和封装到系统工程、架构和控制再到软件堆栈、纠错码和应用特定算法等整个堆栈的各层面进行全面创新。
材料方面，为了提高量子计算硬件性能，需要对材料特性进行精确控制，以及需要既不降低材料性能又不引入新噪声源的器件制造方法。结合材料抗扰性、器件高精度制造方法、处理器架构的协同设计方法可以减少噪声影响，提高量子计算硬件性能。
器件方面，量子比特设计、耦合器和读出方法的创新有助于提高抗噪声能力、长期稳定性、门保真度和互连。设计和模拟器件几何形状以满足长期架构需求仍然是一个非常活跃的研究领域。
支持性经典技术方面，构建大规模量子机器还需要许多支持性经典技术实现小型化、集成化和规模化。此类经典硬件组件依赖于特定的量子硬件平台，包括不限于微波衰减器、放大器、光调制器、开关、波导、探测器等。
实用化方面，与经典高性能计算集群类似，量子计算机将采用模块化设计，在处理器之间实现互连，但仍需要提升可靠性和保真度；随着量子计算系统规模的扩大，量子控制硬件构建需要解决许多新的挑战，量子计算机架构未来发展需要重新考虑处理器设计和控制。
（二）量子计算未来发展的时间线
量子计算未来发展时间线分为四个阶段（图1），并给出了每个阶段的技术里程碑、支持性研究与基础设施、科学结论和应用。第一个阶段是未来0-5年，嘈杂中等规模量子计算机与容错量子计算机小型演示共存，并加速向小型容错量子计算机过渡。第二阶段是未来5-10年，首台小型容错量子计算机将问世，同时开发用于量子互连等架构构建模块所需的硬件以迎接更大、更复杂的量子计算系统。第三阶段是未来10-20年，大型容错量子计算机规模将持续扩展，这些系统将采用与以往不同的架构，可能是模块化的，并且可能由是异构硬件模式和比特类型构成。量子计算科学应用在这一阶段将是变革性的。第四阶段是20年后，超大型容错量子计算机将实现，意味着它们的逻辑错误率将足够低，能够进行长时间的计算。科学发现的方式在这一阶段可能被颠覆。
图1 量子计算未来发展时间线
二、量子传感：实现前所未有的精度和新发现
（一）量子传感前沿
量子传感器的物理实现路径包括在特殊环境（例如真空室或蒸汽室）中的原子、离子和分子，固态缺陷（例如金刚石氮空位色心），其他固态量子比特（例如超导）。
量子传感和计量是一个非常活跃的研究领域，目前已有许多关键概念的实验室级演示。然而，要实现量子传感技术和平台在实际应用中的量子优势，仍需要跨学科科学和工程努力。
在量子传感器的不同物理平台和应用中，共同的研发主题包括：（1）消除经典噪声和实现量子极限噪声性能所需的经典工程。由于量子态的脆弱性，要达到标准量子极限，需要极高的传感器稳定性、材料工程和纯化、以及设备工程。（2）通过设计实现量子传感器在实际应用中的鲁棒性。例如，目前量子雷达和量子激光雷达技术进步的限制是需要足够微弱的信号同时又要应对复杂多变的应用环境。因此，需要将环境隔离、先进材料、自适应算法结合起来，才能确保量子传感器在实际应用中的实用性和可靠性。（3）量子传感的理论研究，包括更好地理解材料特性和发现量子传感器新用途。（4）广泛部署的传感器还可以利用多路复用和多模态传感来实现新功能，例如测量传感器之间的相关性。这种大规模测量需要实时处理海量数据的新方法。（5）生成和操纵不同量子平台中的量子资源态，包括设计利用和分配纠缠的策略、生成高度压缩态、以及利用无损量子测量对纠缠态传感器或粒子进行测量。利用多体态（许多粒子高度纠缠）中的信息编码实现更高的灵敏度或获取被测系统的新型信息。
（二）量子传感未来发展时间线
量子传感的应用包括新物理学的精密测量，用于理解材料的高分辨率灵敏探针，稳定的传感器部署，生物、化学、生物医学传感。这些应用的未来时间线分为三个阶段，分别为未来1-5年、5-10年和10年以后，详见表1。
表1 量子传感未来发展时间线
1-5年 | 5-10年 | 10+年 | |
新物理学的精密测量 | •利用量子传感器进行新物理学探索的量子控制技术 •为下一代新物理学探索开发新的精密测量平台 | •利用下一代量子传感技术探索新物理学，瞄准最有可能取得新发现的参数空间 •利用纠缠增强的精密测量技术以超越经典的方法探索新物理 | •利用量子传感器网络，在广泛参数空间内进行轴子和超轻暗物质探索 •利用量子传感器探索相对论与量子力学之间的联系 •将量子传感器与粒子加速器和探测器集成 |
用于材料分析和设计的高分辨率灵敏探针 | •接近量子噪声极限的超高灵敏度磁力计 •发现用于传感的新量子比特 •电流和磁相位的纳米级分辨率磁成像 •动态过程的噪声感知 | •用于高通量材料科学的集成探针和仪器 •测量材料中的关联函数 •利用多体物理、压缩和纠缠以提高灵敏度 | •具有量子传感器的用户设施 •材料分析工具的商业部署 •具有量子优势的纳米尺度传感器 |
稳定的传感器部署 | •在尺寸、重量和功率、组件集成、稳定性方面进行性能提升，以应用最先进的传感器 •用于辐射、热量、化学等抗性材料的开发 | •在现场演示原型 •在聚变环境中演示传感器 | •用于科学应用的中等规模和大规模传感器制造和部署 •将技术转移给商业合作伙伴 |
生物、化学和生物医学传感 | •将传感器与相关几何学集成，用于生物和化学传感及成像，材料开发和表面功能化 •用于测量动态和小信号的新协议 | •用于生物能源、二氧化碳捕获、生物医学和临床应用 •在生理相关条件下的量子传感与成像 •演示高通量、高灵敏度的化学传感 | •技术应用到临床环境、生物能源和生物经济 •生物和化学检测技术的广泛部署 |
三、量子网络：利用量子资源连接的力量
（一）量子网络前沿
未来的量子互联网可以支持许多应用，量子计算机和传感器能够通过光纤和自由空间通道相结合的网络基础设施进行互联。网络核心将纠缠光子源与量子开关或路由器相结合，实现网络内部或网络之间的设备互联。量子中继器能在光子丢失前有效地“捕获和释放”光子，从而延长支持距离。在网络边缘，量子转换器将量子信息从传输的光子转换到节点上的物质量子比特。与传统互联网一样，量子互联网在理想情况下是通用的，为用户提供服务。
（二）量子网络未来发展时间线
量子网络的应用将实现更精密的光钟、更高分辨率的望远镜、更高灵敏度的粒子探测器、更大规模的量子计算等。网络核心和网络边缘两部分的技术可以并行推进，取得的技术里程碑可以相辅相成。量子中继器是量子互联网的关键组成部分，开发出能够以极低的损耗长距离传输可见光的光纤可以有效缓解量子中继器的紧迫性。量子计算和量子传感的进步也会影响量子网络未来发展时间线。总之，将资源分配到量子网络的核心要素上，例如中继器、路由器、开关、转换器、纠缠源、量子计算机、低损耗光纤，以及建立这些组件之间的高效互联，对于促进量子网络发展至关重要。量子网络未来发展时间线详见图2。
图2 量子网络未来发展时间线
尊重知识产权，引用转载请注明来源。
使用许可：CC BY
声明：本文来自战略科技前沿，版权归作者所有。文章内容仅代表作者独立观点，不代表安全内参立场，转载目的在于传递更多信息。如有侵权，请联系 anquanneican@163.com。
